紫外光Mesh通信網中節點定位算法的研究

唐萬偉

(唐山學院 信息工程系，河北 唐山 063000)

紫外光Mesh通信網中節點定位算法的研究

唐萬偉

(唐山學院 信息工程系，河北 唐山 063000)

為了在紫外光Mesh通信網絡中獲得高質量、高效率的通信效果，需要給網絡中的接入層和路由層提供更多的接入點坐標信息。文章提出的基于三邊測量法的節點定位算法，適合紫外光Mesh通信網絡傳輸信道下節點定位的計算。仿真結果表明，此算法的定位誤差低于0.01 km。

紫外光Mesh通信；單次散射；三邊測量法；定位算法

紫外光是電磁波譜中波段在10～400 nm波長范圍的一段[1]，紫外光通信則是無線光通信的一種，它是利用紫外光在大氣中的散射進行信息傳輸的一種新型通信模式。紫外光Mesh網絡與傳統的無線網絡相比具有可靠性高、碰撞減輕、簡化無線鏈路設計、非直視傳輸和可擴展性強等優點[2]。由于大氣中存在大量的粒子，因此紫外光通信在傳輸過程中存在較大的散射現象，這使得該系統能夠進行非直視信號的傳輸，而且適應復雜的地形環境。但地形的復雜又會給節點的定位帶來困難，而為了能夠估算通信的目標節點是在一跳通信范圍內還是需要轉發，以實現高質量、高效率的無線通信，就需要給接入層和路由層提供更多的節點位置信息。因此研究一種適合紫外光Mesh通信網絡中節點的定位算法顯得尤為重要。

1 三邊測量法定位算法分析

傳統的定位算法分為基于測距的定位算法和非測距的定位算法。基于測距的定位算法主要依賴測量信號強度、信號傳播時間、信號角度、頻譜干涉、圖像信息等測量手段，獲取距離信息，再利用點到點之間的距離獲得未知節點的信息[3]。非測距定位算法有兩種實現方法：一是估算未知節點所在的區域，然后利用該區域的質心作為其位置估計值；二是求出兩條經過未知節點的曲線，而后利用曲線交點的位置作為其位置估計值[4]。

三邊測量法[5]是一種基于距離的定位算法，其理論依據是：如果確定了3個節點的坐標并且知道另外一個未知節點到這3個節點的距離，就可以確定這個未知節點的坐標。其算法描述如下：設未知節點D的坐標(x，y)已知，A，B，C3個節點坐標分別(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，它們到D的距離分別為r1，r2，r3，則可得如下方程組：

(1)

由式(1)可解得D點的坐標(x，y)：

(2)

三邊測量法確定未知點的坐標的思想可用圖1來表示。

圖1 三邊測量法圖例

在實際的直視通信環境中，由于會存在測量誤差，使得3個已知節點A，B，C到未知節點D的距離不準確，造成方程組無解，如圖2，圖3所示。

圖2 無解情況一 圖3 無解情況二

在紫外光通信中不必擔心這兩種情況會影響通信效果，因為通過紫外光的散射特性，只需要收發端能夠形成有效散射體就可以進行通信，不必達到直視通信那樣精準。由式(1)可知，現在的主要問題是如何計算3個已知節點到未知節點的距離。根據非直視紫外光單次散射鏈路的接收能量有如下算式[6-7]：

(3)

由式(3)可計算出發送節點到接收節點的距離r：

(4)

其中θ1為發射機仰角，θ2為接收機仰角，φ1為發射光束孔徑角，φ2是接收視場角，Pr為接收能量，Pt為發射能量，Ps為散射相函數，Ar是接收機孔徑面積，Ke是大氣衰減系數由大氣散射系數Ks和大氣吸收系數Kα組成：Ke=Ks+Kα。

2 算法仿真與分析

在中紫外波段，利用大氣信道仿真軟件Modtran4進行仿真。選取波長λ=266nm，發射功率為4W，觀測高度為0.5km，能見度為4km的霧霾天氣，分別固定發射仰角θ1=45°，接收仰角θ2=45°，測得傳輸距離隨對應仰角變化的情況，如圖4，圖5所示。

圖4 固定發射仰角為45°時的情況

圖5 固定接收仰角為45°時的情況

從圖4，圖5可以看出，隨著發射機的發射仰角和接收機接收仰角的增大，發射距離是逐漸變小的，當發射仰角和接收仰角都很小的時候，傳輸距離比較遠，因為此時基本沒有利用大氣層的散射作用，而相當于是直視通信。

根據推導出的公式(4)，設定式中參數為：接收機孔徑面積Ar=1.4cm2，散射相函數Ps=1(定義為各向同性散射體)[8]。發射光束孔徑角和接收視場角φ2的不同會對傳輸距離和傳輸損耗產生影響[9]，本次仿真選取發射光束孔徑角φ1=20°，接收視場角φ2=50°。根據波長λ=266nm，參照圖6選大氣散射系數Ke=1.1[10]。按公式(4)的算法計算傳輸距離并與圖4，圖5仿真結果進行比較，如圖7，圖8所示。

自由大氣中日盲紫外光的傳輸特性主要受大氣分子的吸收和散射的影響。圖6中顯示了3種系數的關系。

圖6 波長為250～300 nm的紫外光的3種系數

圖7 固定接收仰角為45°時仿真與計算結果的對比

圖8 固定發射仰角為45°時仿真與計算結果的對比

在固定接收仰角和發射仰角的情況下，同時觀察仿真結果，從圖7，圖8中可以直觀地看出，不論是在接收端還是發射端，只要有一端的仰角過低，就會使計算結果產生較大的誤差，這是因為式(3)是根據非直視紫外光單次散射鏈路推導出來的，而仰角過低相當于直視通信。但只要設定合適的收發仰角就可以使誤差降到0.01 km以下，可以滿足紫外光Mesh通信網絡中定位的要求。

3 結語

本文分析了基于三邊測量法的節點定位算法，應用于無線紫外光Mesh通信網絡中的節點定位的可行性，根據非直視紫外光單次散射鏈路的接收功率，推導出適合紫外光Mesh通信網絡傳輸信道下節點定位的計算公式。利用大氣信道仿真軟件Modtran4對此算法進行了仿真，仿真結果表明，使用此公式進行定位計算，誤差能夠低于0.01 km，可以滿足紫外光Mesh通信網絡中定位的要求。

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(責任編校：夏玉玲)

On Node Localization Algorithm in Ultraviolet Mesh Communication Network

TANG Wan-wei

(Department of Information Engineering， Tangshan College，Tangshan 063000， China)

In order to obtain high quality and high efficiency in the UV mesh communication network， it is necessary to provide more access point information for the network access layer and routing layer. The author of this paper has established a node localization algorithm with the trilateral measurement method， which is suitable for calculation of node localization in the UV mesh communication network. The simulation results show that the positioning error of this algorithm is less than 0.01 km.

ultraviolet Mesh communication； single scattering； trilateral measurement method； localization algorithm

TN929.12

A

1672-349X(2015)03-0039-03

10.16160/j.cnki.tsxyxb.2015.03.014